[发明专利]一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生理和生物力学监测装置，特别是关于一种可以在野外或室外试验中实时监测和采集人体负荷生理和生物力学信号的便携式人体负荷生理和生物力学监测装置。

背景技术

在部队训练、野外生存、户外运动、以及劳动搬运等领域人们通常需要进行背部负荷行走。人体背部负荷改变了身体重心的位置，影响人的步态和身体姿势，尤其是负荷过大或长时间负荷行走极易造成身体疲劳和损伤。因此，在运动生物力学领域，国内外学者都广泛开展了人体负荷行走的步态、姿态、疲劳感、能量消耗等生理和生物力学研究。目前，开展该类试验一般采用两类方法：实验室模拟测试法和野外模拟测试法。

实验室模拟测试法一般采用运动平台进行模拟负荷行走，配备系列适合实验室等固定场合使用的生理、生物力学参数检测设备。虽然实验室模拟测试法试验设备齐全且对试验设备体积、通信、存储和供电方式都没有限制，实验条件（温湿度等）也容易控制，但实验室模拟测试法多采用跑台模拟负荷行走，这种模拟方式与实际的行走存在很大差别，尤其是对长时间负荷行走，实际行走要比同样条件的跑台模拟行走的疲劳程度高出许多，因此测试的结果与实际情况相差较大。野外模拟测试法指组织志愿者开展室外环境下模拟负荷行走，每间隔一定时间，需要受试人员停下来，由实验人员采用多种设备完成系列的生理、生化、生物力学参数的检测，试验结束后进行数据汇总与统计。野外模拟测试法可以获取到真实负荷行走状态下人体的生理和生物力学信号，基于这些真实的实验数据开展人机工效评价监测，可以获得最有效的模型或方法以监测人体负荷行走的疲劳感、疲劳极限等。但是野外条件下，标准的实验设备都无法应用，例如：在实验室中采用复杂的运动跟踪技术（如：红外运动跟踪技术、电磁运动跟踪技术和摄像运动跟踪技术）跟踪人体与背包的相对运动。并且对供电、存储和通信方式都提出较高要求。普遍采用的间歇测量方式试验操作繁琐，且数据统计工作量较大，容易引入人为误差。因此，有必要设计一种方便携带的适合野外使用的人体负荷生理和生物力学监测装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以在野外、动态环境下获取到人体负荷行走的生理和生物力学信号的便携式人体负荷生理和生物力学监测装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种便携式人体负荷生理和生物力学监测装置，其特征在于：它包括一生理疲劳状态检测单元、一生物力学信号检测单元和一数据采集与分析单元；所述生理疲劳状态检测单元包括一心电传感器、一呼吸传感器、一人体运动传感器和一生理疲劳信号检测与处理模块；所述生理疲劳信号检测与处理模块包括一生理信号调理电路和一第一微处理器；所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器分别通过有线方式连接所述生理疲劳信号检测与处理模块；所述生物力学信号检测单元包括一背包运动传感器、一左肩带拉力传感器、一右肩带拉力传感器、一胸部束带拉力传感器、一腰部束带拉力传感器和一生物力学信号检测与处理模块；所述生物力学信号检测与处理模块采用一生物力学信号调理电路与一第二微处理器；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器分别通过有线方式连接所述生物力学信号检测与处理模块；所述数据采集与分析单元包括一第三微处理器和一显示屏；所述生理疲劳状态检测单元与所述生物力学信号检测单元分别通过无线和有线的方式之一连接所述数据采集与分析单元；所述心电传感器、呼吸传感器和人体运动传感器将采集的心电、呼吸和加速度信号传送给所述生理疲劳信号检测与处理模块；经所述生理疲劳信号检测与处理模块处理后得到心率、心率变异性、呼吸率、人体运动能耗和身体姿态指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述背包运动传感器、左肩带拉力传感器、右肩带拉力传感器、胸部束带拉力传感器和腰部束带拉力传感器将采集的左右背包肩带拉力、胸部束带拉力和腰部束带拉力信号传送给所述生物力学信号检测与处理模块；经所述生物力学信号检测与处理模块处理后得到背包运动状态和拉力指标，并传送给所述数据采集与分析单元；所述数据采集与分析单元的所述第三微处理器将接收的人体运动状态信息与背包运动状态信息后，计算人体和背包的相对运动信息，并通过所述显示屏实时显示人体负荷生理和生物力学信号。

所述第一微处理器、所述第二微处理器和所述第三微处理器采用单片机和ARM之一。

所述人体运动传感器和所述背包运动传感器采用三轴加速度传感器。